Tăm xỉa răng: thẻ phân tử mới nhận diện khoáng chất răng và xương

Xem xét rất nhiều loại virut thực vật để tìm hiểu căn nguyên, các nhà khoa học vật chất thuộc đại học Công nghệ và Tiêu chuẩn quốc gia đã phát hiện một phân tử sinh học nhỏ gắn kết với một trong những cấu trúc tinh thể chủ chốt của cơ thể - đó là hợp chất canxi vốn là thành phần cơ bản tạo nên răng và xương.

Các nhà nghiên cứu cho biết phân tử mới nói trên có thể là phương tiện đáng tin cậy ứng dụng trong rất nhiều liệu pháp cũng như chẩn đoán liên quan đến răng và xương.

Mặc dù răng và xương có đặc tính cơ học đôi chút khác nhau nhưng thành phần cấu trúc cơ bản của chúng là hợp chất kết tinh canxin phosphat có tên gọi hydroxyapatite. Những biến đổi tinh tế trong cách hình thành cấu trúc tinh thể đã tạo nên khác biệt giữa chúng. Việc nhận biết cũng như kiểm soát quá trình hình thành tinh thể đặc trưng là điều quan trọng tột bậc giúp ích cho các nhà nghiên cứu y sinh chuyên tìm hiểu các vấn đề bao gồm răng tái khoáng hóa nhằm điều trị sâu răng, kết hợp mối nối nhân tạo và mô xương nuôi cấy để thay thế xương và khớp, cũng như các liệu pháp tế bào nhằm tái phát triển mô xương.

Cặn tinh thể hydroxyapatite trong hình ảnh cắt răng người có màu xanh lá cây sáng tại những vùng có gắn một loại peptit mới do NIST tạo ra nhằm gắn kết với hợp chất nói trên. Chuỗi peptit liên kết với thuốc nhuộm huỳnh quang để tạo ảnh. (Ảnh: NIST)

Tuy nhiên cho đến nay vẫn chưa có phương pháp thực nghiệm cụ thể nào có thể phát hiện được quá trình hình thành hydroxyapatite trong hệ thống sống hay mẫu mô. Các nhà khoa học vật liệu có thể nhận biết cấu trúc tinh thể với độ tin cậy cao nhờ mô hình phân tán tia X của nó nhưng đây là một quy trình phức tạp đòi hỏi phải có mẫu nghiên cứu tương đối tinh khiết và hoàn toàn không thể ứng dụng với hệ thống sống. Có một số thử nghiệm hóa học được sử dụng rộng rãi, như thí nghiệm von Kossa chẳng hạn, bên cạnh đó cũng có một số thử nghiệm hủy diệt. Quan trọng hơn, chúng chỉ đơn giản nhằm kiểm tra sự hiện diện của nguyên tố canxi hay phospho. Chúng có thể phân biệt giữa cặn canxi phosphat không kết tinh (tiền thân của tinh thể hydroxyapatite) và tinh thể hydroxyapatite.

Để có được công cụ thăm dò ít tiêu cực và cụ thể hơn, nhóm NIST đã sử dụng kỹ thuật khá mới có tên “hiển thị thể thực khuẩn” có khả năng nhanh chóng tạo ra và sàng lọc số lượng lớn phân tử sinh học cho các tương tác cụ thể. Thể thực khuẩn là nhóm virus nguyên thủy thường gặp đầu độc vi khuẩn. Một số thể thực khuẩn đơn giản có thể biến đổi di truyền để tái tạo ngẫu nhiên chuỗi ngắn axit amino – phân tử protein nhó được gọi là chuỗi peptit – trên lớp vỏ bên ngoài giữ vai trò điểm gắn kết của chúng.

Nhóm thể thực khuẩn được nuôi cấy sẽ tổng hợp hàng tỉ chuỗi peptit ngẫu nhiên. Nếu chúng được đưa đến bề mặt mục tiêu – tinh thể hydroxyapatite trong trường hợp này – rồi sau đó loại bỏ hết, còn lại sẽ là những con có xu hướng bám dính. Nhân vô tính những con còn sót lại rồi lặp lại một vài chu trình với điều kiện nghiêm ngặt tăng lên cuối cùng sẽ giúp cách ly rất nhiều chuỗi peptit “sáng giá” dùng trong các thử nghiệm về sau nhằm xác định mối quan hệ giữa chúng và mục tiêu.

Theo công bố trên một bài báo mới đây, nhóm NIST đã sử dụng kỹ thuật này nhằm nhận biết một chuỗi peptit mới hình thành nên từ cả kết cấu hóa học lẫn cấu trúc tinh thể của hydroxyapatite để gắn kết vào bề mặt vật liệu. Khả năng nhận diện cấu trúc cụ thể chuỗi peptit của hydroxyapatite, theo các nhà nghiên cứu, sẽ được khai thác với vai trò làm tấm thẻ không phá hủy nhằm điều khiển quá trình khoáng hóa của răng và xương trong các ứng dụng liệu pháp cũng như chẩn đoán.

Trích dẫn: M.D. Roy, S.K. Stanley, E. J. Amis and M.L. Becker. Identification of a highly specific hydroxyapatite-binding peptide using phage display. Adv. Mater. 2008, 20, 1830-1836